Способ определения мощности слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии Российский патент 2025 года по МПК E21C39/00 G01V9/00 

Изобретение относится к способам обеспечения геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхности и может быть использовано при оценке интенсивности проявления опасных геодинамических процессов в местах техногенного воздействия на земную кору. Также изобретение может использоваться для экологических оценок воздействия человека на окружающую среду.

Согласно современным научным представлениям, земная кора находится в своеобразном предельно напряженном состоянии: отдельные ее элементы (блоки) находятся в упругом состоянии, но во всей совокупности этих элементов (блоков) достигается предельно напряженное состояние: «в целом хрупкая кора во внутриплитных регионах находится в предельно напряженном состоянии», (...in general, the brittle crust in intraplate regions is critically stressed,) [Townend J., Zoback M.D. How faulting keeps the crust strong // Geology. 2000. V. 28, N 5. P.399-402]. Однако считается, что слой земной коры, в котором достигается предельно напряженное состояние, располагается в земной коре от земной поверхности до некоторой глубины и имеет переменную мощность в разных районах [Петухов И.М., Ватутина И.М., Геодинамика недр. ML, 1999]. С мощностью слоя предельно напряженного состояния связывают степень геодинамической опасности участков земной коры, имея в виду, что одно и то же техногенное воздействие на земную кору вызывает ее отклик различной интенсивности, зависящей от мощности (и соответственно, от запасенной энергии) слоя предельно напряженного состояния [А. Batugin, (2021) A proposed classification of the Earth's crustal areas by the level of geodynamic threat, Geodesy and Geodynamics, 12 (1) pp. 21-30. https://doi.org/10.1016/i.geog.2020.10.002)1. Наличие слоя предельно напряженного состояния в земной коре является необходимым условием для возникновения сейсмичности, но не достаточным. Землетрясения в слое предельно напряженного состояния возникают только при нарушении условий стабильности (достаточное условие), когда скорость нарастания нагрузки на участок земной коры превышает скорость релаксации напряжений. Поэтому существование слоя предельно напряженного состояния в земной коре не обязательно предполагает развитие сейсмических активизаций, а рассматривается как потенциальная угроза возникновения опасных геодинамических явлений, [Ватутин А.С. Геодинамические эффекты предельно напряженного состояния земной коры // Горная промышленность. - 2023. - №S1. - С.14-21. DOI: 10.30686/1609-9192-2023-S1-14-21]. Таким образом, сведения о мощности этого слоя имеют большое значение для выбора мероприятий по обеспечению геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхности.

Известен способ определения мощности слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии, согласно которому определяют осредненные механические свойства массива горных пород и по их значениям рассчитывают искомую мощность [Ватутин А.С., Петухов И.М. К оценке напряженного состояния участков земной коры //ГИАБ. 1998. №1.- с.146-151].

Недостатком известного способа является низкая точность получаемых оценок, использование которых возможно только на глобальном уровне рассмотрения геодинамических процессов в земной коре.

Известен также способ определения нижней границы сейсмоактивного слоя земной коры по данным стационарных сейсмостанций, регистрирующих происходящие в регионе землетрясения в земной коре (Леви К.Г. Тектонические движения и сейсмоактивный (очаговый) слой континентальной литосферы // Сейсмичность байкальского рифта. Новосибирск. 1990, с. 7-16). С учетом того, что нижняя граница (подошва) сейсмоактивного слоя является одновременно и нижней границей слоя предельно напряженного состояния земной коры, мощность слоя предельно напряженного состояния земной коры определяют по максимальной глубине сейсмоактивного слоя (А. Batugin (2021) A proposed classification of the Earth's crustal areas by the level of geodynamic threat, Geodesy and Geodynamics, 12 (1), pp.21-30: https://doi.org/10.1016/i.geog.2020.10.002).

Недостатком этого способа является низкая точность и детальность оценок, так как стационарные сейсмостанций часто расположены на больших расстояниях друг от друга, что не позволяет с приемлемой для практики точностью и детальностью рассчитать глубины гипоцентров и оценить мощность слоя предельно напряженного состояния.

Наиболее близким к заявляемому способу (прототип) является способ определения мощности слоя предельно напряженного состояния по данным о глубинах гипоцентров техногенных землетрясений. В известном способе используют локальные сети сейсмологических наблюдений, выбирая места для проведения измерений параметров состояния земной коры и располагая сейсмоприемники в зоне техногенного воздействия на недра и по ее периметру [Шерматова С.С., Бамбясурэн 3., Шевчук С.В., Ромеро М, Доскалов А. И. К оценке степени геодинамической опасности в горнопромышленном районе // ГИАБ. 2022. №12. с. 175-184]. Такой способ позволяет достаточно точно определять глубины гипоцентров техногенных сейсмических событий и по ним оценивать мощность слоя предельно напряженного состояния земной коры. Недостатком этого способа является низкая оперативность получения необходимых оценок, так как реализация способа возможна только в том случае, когда на изучаемой территории в недрах имеет место активный сейсмический процесс. С этим связана и ограниченная область применения способа: для территорий, где имеется слой предельно напряженного состояния, но землетрясения в период наблюдений не проявлялись, данный способ неприменим. Другим недостатком способа является высокая стоимость сейсмологического мониторинга в сейсмоактивных районах.

Техническим результатом изобретения снижение затрат и повышение точности, оперативности и детальности оценок мощности слоя предельно напряженного состояния земной коры в различных районах, в том числе в периоды ее низкой сейсмической активности.

Технический результат достигается следующим образом. На исследуемой территории проводится газовая съемка почвенных газов, включая радон и торон, по профилю, длина которого превышает предполагаемую глубину h расположения подошвы слоя предельно напряженного состояния земной коры, что позволяет оценивать по характеру газовых аномалий глубину расположения участков активной деструкции пород земной коры и по значениям этой глубины определять мощность слоя предельно напряженного состояния земной коры Н.

Отличие способа заключается в том, что на изучаемой территории вдоль профильных линий проводят газовую съемку, по концентрации радиоактивных газов определяют глубины h расположения в земной коре областей их эмиссии и мощность слоя земной коры Н, находящегося в предельно напряженном состоянии, принимают равной максимальной глубине h_max расположения зон эмиссии.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показан схематически способ определения мощности слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии (1 - земная поверхность, 2 - зоны деструкции, выявляемые при газовой съемке, 3 - подошва слоя предельно напряженного состояния земной коры); на фиг.2 - пример определения мощности Н слоя предельно напряженного состояния земной коры в районе угольного разреза Бачатский, Кузбасс.

Реализация способа основана на физическом явлении эмиссии содержащихся в горной породе газов, в том числе радиоактивных радона и торона, при ее разрушении, т.е. при достижении предельно напряженного состояния [Riggio A, Santulin М. Earthquake forecasting: a review of radon as seismic precursor // Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata, 2015. Vol.56, n. 2, pp.95-114. DOI 10.4430/bgta0148]. Выделяющиеся из деформируемой области радиоактивные и другие газы, ранее заключенные в закрытых порах и трещинах, мигрируют в сторону земной поверхности, где могут быть зафиксированы в почвенном воздухе при газовой съемке. Интерпретация данных газовой съемки позволяет определять глубину расположения зон деструкции, которая является основным источником эмиссии газов (Диваков В. И. Метод микрогеодинамических исследований - новый метод в геологии // Вестник Российского Университета дружбы народов, сер. Геол. и разв. пол. ископ. М., РУДН. 1996, c.71-79).

Таким образом, по данным газовой съемки возможно определить глубину расположения подошвы слоя предельно напряженного состояния по наличию зон деструкции земной коры.

Способ поясняется фиг.1.

На рисунке показано, что зоны деструкции земной коры располагаются на глубинах h, что определяется по данным газовой съемки. Максимальное значение h на исследуемой территории (h_max) принимается за значение мощности слоя земной коры Н, находящегося в предельно напряженном состоянии: Н = h_max.

Пример реализации способа.

В Кузбассе в районе Бачатского угольного разреза активизирован процесс техногенной сейсмичности с глубиной гипоцентров землетрясений от 0,5 до 4-5 км (Еманов А.Ф., Еманов А.А., Фатеев А.В. Бачатское техногенное землетрясение 18 июня 2013 г. с ML=6.1, I=7 (Кузбасс) // Российский сейсмологический журнал 2020. Т. 2, №1. С.48-61. DOI: https://doi.org/10.35540/2686-7907.2020.l.05 48 УДК 550.348.(571.15)]. К северу от Бачатского угольного разреза пройден профиль газовой съемки длиной 15 км. По результатам интерпретации полученных данных выявлены зоны деструкции земной коры, расположенные на глубинах около 2,5 км. Соответственно, мощность слоя предельно напряженного состояния составляет на данном участке 2,5 км.

Пример поясняется фиг.2.

Изобретение относится к способам обеспечения геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхности и может быть использовано при оценке интенсивности проявления опасных геодинамических процессов в местах техногенного воздействия на земную кору. Способ определения мощности слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии, включает выбор точек для проведения измерений параметров состояния земной коры, расположенных на профилях, длина которых больше, чем предполагаемая мощность слоя предельно напряженного состояния, проведение измерений концентрации радиоактивных газов в почвенном воздухе. По эмиссии радиоактивных газов определяют глубину h расположения в земной коре областей деструкции и мощность слоя земной коры Н, находящегося в предельно напряженном состоянии. Принимают мощность слоя земной коры Н равной максимальной глубине расположения зон деструкции: Н = h_max. Техническим результатом является повышение точности, оперативности и детальности оценок мощности слоя предельно напряженного состояния земной коры в различных районах, в том числе в периоды ее низкой сейсмической активности. 2 ил., 1 пр.

Способ определения мощности слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии, включающий выбор точек для проведения измерений параметров состояния земной коры, расположенных на профилях, длина которых больше, чем предполагаемая мощность слоя предельно напряженного состояния, проводят измерения концентрации радиоактивных газов в почвенном воздухе, по эмиссии радиоактивных газов определяют глубину h расположения в земной коре областей деструкции и мощность Н слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии, принимают равной максимальной глубине расположения зон деструкции: Н = h_max.